3. Разработка канала передачи данных (L2).

3.1. Задачи службы передачи данных канального уровня: пояснение механизма обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне (подготовка к доставке сообщений:фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п.). Характеристика служебного и информационного трафика, поступающего на L2 уровень.

На канальном уровне существует служба передачи данных. Задачами этой службы является формирование и адресная доставка сообщений, содержащих команды управления. На канальный уровень могут поступать информационные сообщения, адресованные модулю управления (микроконтроллеру) или служебные сообщения, направленные соответствующей службе L3 уровня. Для различия этих сообщений в структуре сообщения предусмотрено однобитовое поле, принимающее различные значения в зависимости от назначения передаваемого сообщения. Любое сообщение, служебное или информационное, поступает на канальный уровень. На канальном уровне осуществляется фрагментация полученного сообщения на блоки, каждый из которых нумеруется, это необходимо для приведения полученного сообщения к виду, соответствующему сообщению канального уровня. Для контроля целостности на канальном уровне предусмотрено добавление к блоку сообщения поля CRC. Служебным трафиком, поступающим на канальный уровень, являются небольшие сообщения, направленные службе установления и контроля соединения L3 уровня. Информационный трафик поступает на канальный уровень от модуля управления ПУ или микроконтроллера терминала. Информационными сообщениями являются команды управления и данные телеметрии.

3.2. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений.

Сообщения канального уровня могут быть широковещательные и адресные (многоадресные). Широковещательные сообщения может передавать только пульт управления, это сообщение получают все терминалы, оно содержит информацию о данной сети. Многоадресные сообщения передает ПУ на терминалы в случае запроса телеметрии. Получение такого сообщения требует от терминала отправки ответного сообщения. В качестве ответного все терминалы отправляют информационное сообщение, в котором содержаться данные телеметрии, такое сообщение является адресным и направлено пульту управления.  Адресные сообщения ПУ отправляет нужному терминалу при передаче команд управления, эти сообщения также являются информационными и могут быть адресованы как одному терминалу, так и сразу группе терминалов, в последнем случае сообщение является многоадресным.

Таблица 1. Типы сообщений L2 уровня.

Тип сообщения

Характеристика

Назначение

Широковещательное сообщение

Широковещательное, уведомительное

Передача информации о сети

Сообщение вызова (запроса телеметрии)

Адресное (или многоадресное), требующее ответа

Вызов терминала (нескольких терминалов) при необходимости собирать телеметрию или передавать команды управления

Сообщение управление

Адресное (или многоадресное), требующее подтверждения

Передача команд управления

Сообщение телеметрии

Адресное

Передача телеметрии от терминалов на пульт управления

Сообщение доступа

Адресное

Передача запроса о регистрации в сети

 

3.3. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам, пояснение структуры физических ресурсов. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

Инициатором соединения в данной сети всегда является пульт управления. ПУ отправляет сообщение запроса телеметрии при сборе телеметрии и сообщение вызова при передаче команд управления. При этом ПУ выделяет ресурс для передачи терминалами телеметрии и передачи команд управления.

В данной сети будем использовать алгоритм множественного доступа с временным разделением каналов. Благодаря этому, в конкретный момент времени только один терминал будет обладать полным доступом к физической среде и проблемы, связанные с появлением коллизий, не возникнут. При таком алгоритме множественного доступа физическими каналами будут являться тайм-слоты (промежутки времени).

Как говорилось ранее, в начале каждого цикла пульт управления передает широковещательное сообщение и далее начинает сбор телеметрии. При этом после широковещательного сообщения у терминалов есть возможность регистрации в сети, для этого отведен отдельный физический канал. Стоит отметить, что при регистрации имеет место борьба за канал между терминалами, желающими зарегистрироваться в сети. Проиграв борьбу, терминал ждет следующего широковещательного сообщения , чтобы  снова попытаться зарегистрироваться.

После регистрации ПУ отправляет группе терминалов сообщение запроса телеметрии, в этом сообщение содержится очередность, в которой терминалы должны передавать телеметрию. Очередность состоит в выделение каждому терминалу отдельного физического канала (тайм-слота) для передачи данных телеметрии.

Подробнее поясним структуру физических ресурсов при выбранном алгоритме множественного доступа. Один кадр в нашем случае будет состоять из 11 тайм-слотов (с 0 по 10). Один кадр реализует один цикл взаимодействия пульта управления и терминалов. Группа кадров составляет мультикадр, мультикадр состоит из 36 кадров (с 1 по 36). длительность одного тайм-слота 0,5 с, следовательно длительность кадра составляет 5,5 с, мультикадра – 198 с. В рамках одного мультикадра реализуется опрос всех терминалов сети на предмет сбора телеметрии. Каждый третий кадр в составе мультикадра является опросным и используется для сбора телеметрии с группы, состоящей из 10 терминалов.   

 3.4. Проработка видов логических каналов (ЛКС) L2 уровня, оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях (свести в таблицу). Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.2).

В соответствии с концепцией работы разрабатываемой сети на L2 уровне можно выделить следующие логические каналы:

          1.      Широковещательный канал. Этот канал необходим для передачи широковещательных сообщений, содержащих информацию о данной сети (список зарегистрированных терминалов, адрес пульта управления).

          2.      Канал доступа. Этот канал необходим для возможности регистрации в сети новых терминалов. Получив широковещательное сообщение, и не обнаружив свой адрес в списке зарегистрированных терминалов, терминал по этому каналу передает запрос на регистрацию, указывая свой адрес.

         3.      Канал вызова. С помощью этого канала решаются две важные задачи. По каналу вызова ПУ отправляет терминалам сообщение запроса телеметрии, также по каналу вызова ПУ вызывает терминал, которому необходимо передать команду управления.

         4.      Канал трафика. По данному каналу в прямом направлении (от ПУ к терминалам) предаются непосредственно команды управления, в обратном направлении (от терминалов к ПУ передаются данные телеметрии).

    Таблица 2. Пропускная способность ЛКС.

Название канала

Обозначение

Пропускная способность

Широковещательный

BCCH

900 бит/с

Доступа

RACH

110 бит/с

Вызова

PCH

250 бит/с

Трафика

TCH

В прямом направлении 200 бит/с

В обратном - 100 бит/с

 

В прямом направлении кадр имеет следующую структуру: 0 и 1 тайм-слоты отведены для передачи по широковещательному каналу, 2 и 3 для передачи по каналу вызова, остальные для передачи по каналу вызова и трафика при необходимости. В обратном направлении 0 тайм-слот отведен для канала доступа, остальные 10 для канала трафика (передача телеметрии). Если кадр не является опросным, то есть не используется для сбора телеметрии, то четные тайм-слоты  (2,4…) отведены под канал вызова, нечетные (3,5…) - под канал трафика. В обратном направлении нечетные слоты (1,3,5…) отведены для канала вызова, четные (0,2,4…) для канала доступа.

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Структура сообщений канального уровня обязательно включает в себя в себя поле Р для идентификации служебных и не служебных сообщений, адрес терминала (группы терминалов) кому оно предназначается или от кого оно поступило (в случае передачи телеметрии). Далее подробнее рассмотрены структуры различных сообщений канального уровня.

На следующем рисунке представлена структура сообщения канала BCCH, оно содержит идентификатор сети, известный всем терминалам, информационная часть данного сообщения включает адреса терминалов, зарегистрированных в сети. 

Размерность информационной части не будет фиксированной и зависит от количества терминалов, зарегистрированных в сети. Адрес терминала составляет 7 бит поэтому максимальная размерность информационной части 840 бит. 


Рисунок 1. Структура широковещательного сообщения

На рисунке 2  представлена структура сообщения канала вызова. Как уже говорилось, это могут быть многоадресные сообщения запроса телеметрии или сообщения вызова нужного терминала. Различия в структуре будут характеризоваться различиями в информационной части. В первом случае, в информационной части содержится информация о том, что терминалам необходимо предавать телеметрию и в каком порядке ее передавать. Во втором случае -  информация о том, что для данного терминала (группы терминалов) есть команды, которые необходимо принять и исполнить. Размерность информационной части не будет фиксированной, так же как и размерность поля адресов терминалов, поскольку различные сообщения адресованы разному числу терминалов.


Рисунок 2. Структура сообщения канала вызова.

Сообщения канала трафика разделяются на сообщения, предающие команды управления и сообщения, передающие телеметрию. Оба вида сообщений имеют одинаковую структуру, при этом отличаются размерностью полей адреса (сообщения, содержащие команды управления могут передаваться сразу нескольким терминалам, а сообщения телеметрии приходят по очереди и содержат адрес одного терминала-отправителя).Так же различия касаются размерности информационной части: для телеметрии 24 бита-по 8 бит на информацию с каждого датчика, для команд управления 12 бит.


Рисунок 3. Структура сообщения канала трафика.

На следующем рисунке представлена структура сообщения канала доступа. Это сообщение содержит идентификатор сети, в которой регистрируется терминал и адрес этого терминала. Информационная часть представляет собой данные телеметрии.


Рисунок 4. Структура сообщения канала доступа

Как видно из рисунков, структуры каждого сообщения содержат поле контрольной суммы CRC для проверки целостности сообщения.

3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.

В качестве временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов, считаю возможным приведение структуры кадра, который используется при сборе телеметрии. Такая структура изображена на следующем рисунке.


Рисунок 5. Структура кадра в прямом направлении.

На временном промежутке t0-t1  (0 и 1 тайм-слоты) ПУ ведет передачу широковещательных сообщений, следовательно, задействован канал BCCH. Следующий промежуток времени (1 и 2 тайм-слоты) отведен для канала вызова PCH, по данному каналу передаются сообщения запроса телеметрии. Следующие тайм- слоты отведены каналу вызова либо каналу трафика для возможности передавать команды управления.


Рисунок 6. Структура кадра в обратном направлении.

На рисунке 6 изображена структура кадра в обратном направлении. Как уже говорилось, первый тайм-слот отведена для канала доступа, остальные для канала трафика, чтобы группа терминалов смогла передать данные телеметрии.

3.7. Разработка схемы обмена сообщениями L2 уровня по ЛКС для одного из режимов (п.2.3, 2.4).

Схема обмена сообщениями представлена на следующем рисунке. Данная схема иллюстрирует содержимое пункта 2.4 с учетов использования описанных ранее логических каналов.


Рисунок 7. Схема обмена сообщениями по ЛКС.

ПУ предает широковещательные сообщения, после чего новые терминалы имеют возможность для регистрации в сети. Далее ПУ начинает сбор телеметрии, для чего посылает группе терминалов по каналу вызова сообщение запроса, а терминалы в свою очередь посылают телеметрию по каналу трафика. При необходимости передачи команд управления, ПУ терминал, которому предназначаются команды, получив ответ от терминала, ПУ передает команды управления, выполнив команды, терминалы передают отчет о выполнении команд.

4. Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов.

4.1. Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).

Для передачи информации логических каналов будем использовать кадр L1 уровня, который включает в себя сообщения канального уровня всех логических каналов. Зная размерности сообщений ЛКС можно рассчитать пропускную способность с учетом того, что длительность кадра составляет  5,5 с.

Скорость передачи данных в прямом направлении: 304 бит/с.

4.2. Обоснование выбора мер по обеспечению синхронизации и по защите приема от многолучевости и помех в канале связи. При необходимости, проработка профилей физического уровня и сценария их выбора (служба L3 уровня, п.2.2-2.4). Оценка требуемой избыточности, вносимой указанными факторами.

В данной сети для обеспечения синхронизации кадр  L1 уровня будет содержать преамбулу длинной 96 бит для временной подстройки. Для борьбы с многолучевым распространением и помехами в канале связи будет использовано помехоустойчивое кодирование с перемежением в связи с тем, что все объекты сети при работе находятся в неподвижном состоянии относительно друг друга, а эффект многолучевости опасен в большей степени для нестационарных систем. Поскольку в сети передается относительно небольшой объем информации, то нет необходимости использовать различные профили передачи данных, так же на это влияет то, что терминалы и точка доступа неподвижны и отношение сигнал/шум будет изменяться в небольшом диапазоне.

4.3. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне.

На L1 решается задача помехоустойчивого кодирования, следовательно, вносится избыточность. Скорость кодирования ½, то есть одному входному биту соответствует два выходных. В каждом тайм-слоте кадра будут передаваться соответствующие пакеты физического уровня, содержащие информацию логических каналов связи с учетом избыточности, вносимой на L1 уровне и преамбулу. Длина кадра составляет 5,5 с.

Скорость передачи данных в прямом направлении будет складываться из размерности сообщений логических каналов, которые передаются в кадре, избыточности, дополняющей такое сообщение и преамбулы, используемой в каждом физическом канале( тайм-слоте). Кадр состоит из одного широковещательного сообщения, которое предается в двух тайм-слотах, 5 сообщений канала вызова и 3 сообщений канала трафика при необходимости. Таким образом, скорость передачи данных с учетом избыточности:

96*11+862*2+103*5*2+97*3*2=4392 - бит в кадре, 4392 бит/ 5,5 с=800 бит/с.

В обратном направлении кадр состоит из сообщения канала доступа и 10 сообщений телеметрии. Таким образом, скорость передачи данных в обратном направлении с учетом избыточности:

96*11+52*2+48*10*2=2120 – бит в кадре, 2120/5,5=400 бит/с.

В данной курсовой работе будем использовать BPSK модуляцию, которая является достаточно помехозащищенным видом модуляции. При использовании модуляции BPSK получим требуемую полосу не менее 0,8 кГц.

4.4. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь.

В связи с решением Государственной комиссии по радиочастотам при Минкомсвязи России от 21 декабря 2011 г. N 10-49-34 " Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации " для любительской радиосвязи отведены конкретные частотные диапазоны, поэтому выберем несущую частоту – 2375МГц (диапазон 2300 - 2450 МГц).

В связи с тем, что использование данной радиосети предполагается внутри помещения, поэтому для расчета потерь при распространении радиоволн воспользуюсь стандартизированной Международным союзом электросвязи моделью ITU-R 1238, которая предполагает расчет потерь для частот в диапазоне от 900 МГц до 100 ГГц.

Модель потерь имеет следующий вид:

Ltotal=20 log10 f + N log10 d + Lf(n) – 28, дБ, где

N - дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между точкой доступа и терминалом (где d > 1 м);

Lf - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n – максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами;

Исходные данные:

N=28

f=2375 МГц – частота несущего колебания;

d=300 м – по заданию к курсовой работе;

Lf= 15+4(n-1)=19 (n=2-число пройденных этажей: предполагается такое размещение точки доступа, что терминал может располагаться через этаж как над, так и под точкой доступа)

Тогда потери:

Ltotal= 20*log10 (2375) + 28* log10(300) - 28 = 127,87 дБ

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия составляет 127,87 дБ.

4.5. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения требуемого качества приема без помехоустойчивого кодирования. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, расчет эффективности кодирования. Повторный расчет отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная оценка требуемой полосы частот.

В данной работе в качестве метода помехоустойчивого кодирования будем использовать блочное кодирование со скоростью ½ (тип кода- General, метод решения- Soft)..

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности ошибки, иcпользуем инструмент bertool, входящий в состав Matlab.

На следующем рисунке представлены зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для BPSK модуляции с помехоустойчивым кодированием и без него.


Рисунок 8. Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для BPSK модуляции с помехоустойчивым кодированием и без него.

По данному рисунку видно, что для обеспечения заданной вероятности ошибки 10-5 без помехоустойчивого кодирования требуется ОСШ 9,5 дБ. Применение помехоустойчивого кодирования дает выигрыш в отношении сигнал/шум примерно 2,6 дБ. Требуемое ОСШ составляет 6,9 дБ.

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

На следующем рисунке представлена структура пакета физического уровня.


Рисунок 9. Структура пакета физического уровня.

Сообщение логического канала BCCH будет фрагментироваться на два пакета физического уровня, которые передаются в соответствующих тайм-слотах. Размерность информационной части для такого сообщения будет составлять 431 бит, такая же размерность будет и у избыточной части. Сообщение канала вызова, служащее для запроса телеметрии у группы терминалов так же будет фрагментироваться на два пакета физического уровня, информационная и избыточная части по 52 бита. Сообщение, содержащее данные телеметрии передается посредством одного пакета L1 уровня с размерностью информационной и избыточной частей- 48 бит.

1.7.            Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Произведем оценку уровня мощности передачи при ВPSK модуляции:

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*0,8 = 0,863 кГц.

Pш = k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*0,863*103=3,13*10-18 Вт

Pш=-175 дБ.

В данном выражении k = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для ВPSK:

Eb/N0= 7,5 дБ- с учетом запаса отношения сигнал/шум.

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 7,5 + 10*lg ((0,8*103)/(0,863*103)) = 7,17 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + SNR.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 3 дБ.

Pпрм = -175 + 3 + 7,17 = - 164,8 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;

Ltotal = 127,87 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (рассчитанные в п. 4.4);

В сети будем использовать не направленные антенны КНД можно принять равным 0.

Gt = 0 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -164,8 + 127,87  = - 37 дБ

Pизл =0,2 мВт

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Функциональная схема  L1 уровня представлена на следующем рисунке.


Рисунок 10. Функциональная схема  L1 уровня.

Данная схема иллюстрирует описанные выше задачи, возложенные на физический уровень. Резюмируя то, о чем сказано в предыдущих пунктах, можно сделать вывод, что на физическом уровне должны выполняться следующие действия: фрагментация пакетов L2 уровня, блочное кодирование, перемежение, модуляция BPSK и синхронизация. После чего пакет физического уровня проходит по каналу связи и поступает на приемную сторону, где решаются следующие задачи: синхронизация, демодуляция, деперемежение, декодирование, накопление пакетов L1 уровня для формирования сообщения L2 уровня.

Список используемых источников: 

1. Д.Р.  Золотов - КП " Радиосеть управления освещением ". Часть 3.  URL:http://omoled.ru/publications/view/1233

2. А.В. Бакке – лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами»

3. А.В. Масленков - КР "Радиосеть управления освещением". Часть 1 (исправленная). URL: http://omoled.ru/publications/view/1275

4. А.В. Масленков - КР "Радиосеть управления освещением". Часть 2. URL: http://omoled.ru/publications/view/1292